CN116395635A - 利用太阳能高温裂解金属氧化物制备氢气的装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种利用太阳能高温裂解金属氧化物制备氢气的装置，包括反应器组件、流动控制组件、分离组件，其中反应器组件包括裂解反应器和蒸汽反应器，流动控制组件包括第一流动控制装置和第二流动控制装置，分离组件包括气固分离装置。高温裂解反应器的热量来自太阳能集热器，金属氧化物循环床料在高温裂解反应器中分解，生成氧气，裂解后的床料进入蒸汽反应器；水蒸气作为引射气流与来自高温裂解反应器的床料颗粒在蒸汽反应器中反应生成氢气，并得到氧化再生。循环床料在蒸汽反应器和裂解反应器之间不断循环使用。与现有技术相比本发明结构简单，操作方便，工艺原料科学易得，成本低，污染物少，环境友好，能够高效的将H2O转化为H2。
Description
技术领域
本发明涉及能源化工及氢气制备领域，尤其是一种利用太阳能高温裂解金属氧化物制备氢气的装置及方法。
背景技术
氢气被认为是21世纪的最好清洁能源之一，也是现有煤、石油和天然气等含碳能源为主的能源体系的良好替代者。其在燃烧时不仅具有高热值的优点，燃烧后产生的水对环境也是没有害处的，是未来理想的清洁能源。但是，我国化石能源储量特点为“富煤、贫油、少气”，在今后相当长时间内我国的一次能源消费仍然以煤炭为主。因此，如何高效清洁的大规模生产氢气，对于实现油气资源的逐步替代和节能减排等方面具有重要的战略意义。
然而，现有大规模生产氢气的方法主要是甲烷蒸汽重整法或电解水的方法，甲烷蒸汽重整需要大量的外部热量是主要问题，电解水制氢中所需电能来源是主要问题。
目前，太阳能技术被认为是未来具有应用前景的清洁能源技术之一。但是，如何太阳能技术与制备氢气相结合，如何在制备氢气过程中，解决气体分离、床料循环利用的问题，都是目前急需解决的技术问题。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于，提供一种解决在制备氢气过程中能量来源、气体分离以及循环床料再生问题的利用太阳能高温裂解金属氧化物制备氢气的装置及方法。
为解决上述技术问题，本发明提供一种利用太阳能高温裂解金属氧化物制备氢气的装置，包括：裂解反应器、第一流动控制装置、蒸汽反应器、气固分离装置、第二流动控制装置；
所述裂解反应器通过太阳能产生的高温将金属氧化物分解，包括金属氧化物进料口、循环进料口、氧气出口和床料出口；
所述金属氧化物进料口内进入的金属氧化物床料颗粒在所述裂解反应器内分解成金属床料颗粒，并生成氧气；所述金属床料颗粒经所述床料出口通过第一流动控制装置输送至所述蒸汽反应器；
所述蒸汽反应器包括水蒸气进气端以及蒸汽出气端；所述蒸汽出气端的管路后设有可将氢气、水蒸气与金属氧化物的分离的气固分离装置；
所述气固分离装置包括的排出氢气、水蒸气的气体出口端以及固体出口端；所述金属氧化物经所述固体出口端通过第二流动控制装置输送至所述裂解反应器。进一步的，所述的蒸汽反应器为流化床，所述流化床底部设有布风板，所述流化床的流型为快速流化床/气力输送床流型，流化介质为水蒸气和所述裂解反应器中分解后的金属床料颗粒。
进一步的，所述的裂解反应器为流化床，所述流化床的流型为快速流化床/气力输送床流型，流化介质为金属氧化物循环床料。
进一步的，所述气固分离装置为惯性分离器、旋风分离器的一种，气固分离装置可分离所述蒸汽反应器中产生的气体和固体颗粒。
进一步的，所述第一流动控制装置和第二流动控制装置为V阀、U阀、L阀、H阀和J阀中的一种；流动控制装置控制床料传输并防止蒸汽反应器和裂解反应器之间气体的反窜。
进一步的，金属氧化物床料颗粒包括Fe2O3、CuO和NiO中的一种或多种。
本发明还公开了一种利用太阳能高温裂解金属氧化物制备氢气方法，包括如下步骤：
S1.将金属氧化物床料颗粒装入裂解反应器中，所述裂解反应器通过太阳能产生的高温使金属氧化物床料颗粒分解,生成金属床料颗粒，同时生成氧气；
S2.将金属床料颗粒通过第一流动控制装置输送至蒸汽反应器中，并向蒸汽反应器中通入水蒸气，在反应过程中，床料颗粒与水蒸气反应生成金属氧化物和氢气，循环床料得到氧化再生；
S3.将步骤S2中生成的金属氧化物，氢气以及过剩水蒸气通过气固分离装置分离；分离后的氢气以及过剩水蒸气经所述气固分离装置的气体出口端排出；分离后的金属氧化物通过第二流动控制装置进入到裂解反应器中再次参与循环过程中，循环往复。
进一步，还包括上述的利用太阳能高温裂解金属氧化物制备氢气的装置。
进一步的，所述裂解反应器和蒸汽反应器中的工作压力为常压及以上。
本发明的有益效果为：
可以高转化率的将H2O转化为H2，同时解决生产过程中能量来源以及循环床料的再生问题。由于在蒸汽反应器中主要为吸热反应，而循环床料颗粒在裂解反应器中可以吸收太阳产生的高温，因此可以通过循环床料将热量从裂解反应器中带入蒸汽反应器，不需要提供外部的热源。
附图说明
图1为本发明的装置结构示意图。
其中，1、裂解反应器；2、第一流动控制装置；3、蒸汽反应器；4、气固分离装置；5、第二流动控制装置。
具体实施方式
以下结合具体实施例及附图来对本发明作进一步详细说明，熟悉本领域技术的人员显然可以容易地对这些实施例做出各种修改，并把在此说明的一般原理应用到其他实施例中而不必经过创造性的劳动。因此，本发明所要求保护的范围并不局限于实施例所描述之范围。本领域技术人员根据本发明的揭示，不脱离本发明范畴所做出的改进和修改都应该在本发明的保护范围之内。
如图1所示，一种利用太阳能高温裂解金属氧化物制备氢气的装置，包括裂解反应器1、第一流动控制装置2、蒸汽反应器3、气固分离装置4、第二流动控制装置5。
其中装有金属氧化物循环床料的裂解反应器1通过第一流动控制装置2与蒸汽反应器3相连，水蒸气自蒸汽反应器3通入。具体选型时，裂解反应器1与蒸汽反应器3均为流化床反应器。气固分离装置4置于蒸汽反应器3与裂解反应器1之间，为惯性分离器或旋风分离器的一种，主要用来分离反应器中产生的气体和固体颗粒。第二流动控制装置5将气固分离器4与裂解反应器1相连，流动控制装置的具体选型为V阀、U阀、L阀、H阀和J阀的一种，用于控制床料传输并防止蒸汽反应器和裂解反应器之间气体的反窜。
一种利用太阳能高温裂解金属氧化物制备氢气的方法，包括如下步骤：
S1.将金属氧化物装入裂解反应器1中，通过太阳能产生的高温将床料颗粒金属氧化物分解，同时生成O2，这是一个吸热反应,化学反应为：
MexOy高温→Me+O2+吸热；其中，裂解反应器中的工作温度应维持在900℃以上，压力可以为常压及以上。
S2.将步骤S1分解后的床料颗粒通过第一流动控制装置2进入到蒸汽反应器3中，并向蒸汽反应3中通入水蒸气，在反应过程中，床料颗粒与水蒸气反应生成金属氧化物，循环床料得到再生，同时生成H2，这是一个吸热反应，反应式为H2O+Me→MexOy+H2+吸热；其中，蒸汽反应器中的工作温度应维持在900℃以上，压力可以为常压及以上。
S3.将步骤S2生成的金属氧化物，H2以及过剩水蒸气通过气固分离装置4，金属氧化物通过第二流动控制装置5进入到裂解反应器中再次参与循环过程中，H2通过气固分离器4的上部进行收集再加以利用。
以下结合具体实施例及附图来对本发明作进一步详细说明，熟悉本领域技术的人员显然可以容易地对这些实施例做出各种修改，并把在此说明的一般原理应用到其他实施例中而不必经过创造性的劳动。因此，本发明所要求保护的范围并不局限于实施例所描述之范围。本领域技术人员根据本发明的揭示，不脱离本发明范畴所做出的改进和修改都应该在本发明的保护范围之内。
Claims (9)
1.一种利用太阳能高温裂解金属氧化物制备氢气的装置，其特征在于，包括：裂解反应器(1)、第一流动控制装置(2)、蒸汽反应器(3)、气固分离装置(4)、第二流动控制装置(5)；
所述裂解反应器(1)通过太阳能产生的高温将金属氧化物分解，包括金属氧化物进料口、循环进料口、氧气出口和床料出口；
所述金属氧化物进料口内进入的金属氧化物床料颗粒在所述裂解反应器(1)内分解成金属床料颗粒，并生成氧气；所述金属床料颗粒经所述床料出口通过第一流动控制装置(2)输送至所述蒸汽反应器(3)；
所述蒸汽反应器(3)包括水蒸气进气端以及蒸汽出气端；所述蒸汽出气端的管路后设有可将氢气、水蒸气与金属氧化物的分离的气固分离装置(4)；
所述气固分离装置(4)包括的排出氢气、水蒸气的气体出口端以及固体出口端；所述金属氧化物经所述固体出口端通过第二流动控制装置(5)输送至所述裂解反应器(1)。
2.根据权利要求1所述的利用太阳能高温裂解金属氧化物制备氢气的装置，其特征在于，所述的蒸汽反应器(3)为流化床，所述流化床底部设有布风板，所述流化床的流型为快速流化床/气力输送床流型，流化介质为水蒸气和所述裂解反应器(1)中分解后的金属床料颗粒。
3.根据权利要求1所述的利用太阳能高温裂解金属氧化物制备氢气的装置，其特征在于，所述的裂解反应器(1)为流化床，所述流化床的流型为快速流化床/气力输送床流型，流化介质为金属氧化物循环床料。
4.根据权利要求1所述的利用太阳能高温裂解金属氧化物制备氢气的装置，其特征在于，所述气固分离装置(4)为惯性分离器、旋风分离器的一种，气固分离装置(4)可分离所述蒸汽反应器(3)中产生的气体和固体颗粒。
5.根据权利要求1所述的利用太阳能高温裂解金属氧化物制备氢气的装置，其特征在于，所述第一流动控制装置(2)和第二流动控制装置(5)为V阀、U阀、L阀、H阀和J阀中的一种；流动控制装置控制床料传输并防止蒸汽反应器(3)和裂解反应器(1)之间气体的反窜。
6.根据权利要求1所述的利用太阳能高温裂解金属氧化物制备氢气的装置，其特征在于，金属氧化物床料颗粒包括Fe2O3、CuO和NiO中的一种或多种。
7.一种利用太阳能高温裂解金属氧化物制备氢气方法，其特征在于，包括如下步骤：
S1.将金属氧化物床料颗粒装入裂解反应器(1)中，所述裂解反应器(1)通过太阳能产生的高温使金属氧化物床料颗粒分解,生成金属床料颗粒，同时生成氧气；
S2.将金属床料颗粒通过第一流动控制装置(2)输送至蒸汽反应器(3)中，并向蒸汽反应器(3)中通入水蒸气，在反应过程中，床料颗粒与水蒸气反应生成金属氧化物和氢气，循环床料得到氧化再生；
S3.将步骤S2中生成的金属氧化物，氢气以及过剩水蒸气通过气固分离装置(4)分离；分离后的氢气以及过剩水蒸气经所述气固分离装置(4)的气体出口端排出；分离后的金属氧化物通过第二流动控制装置(5)进入到裂解反应器(1)中再次参与循环过程中，循环往复。
8.根据权利要求7所述的利用太阳能高温裂解金属氧化物制备氢气方法，其特征在于，包括如权利要求1-6中任意所述的利用太阳能高温裂解金属氧化物制备氢气的装置。
9.根据权利要求7所述的利用太阳能高温裂解金属氧化物制备氢气方法，其特征在于，所述裂解反应器(1)和蒸汽反应器(3)中的工作压力为常压及以上。
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